Earth Humming
일상생활에서 ‘소음’은 정말 다양합니다. 사람들이 대화하는 소리, 자동차 소리, 기계음, 발소리 등 수많은 소음들을 들을 수 있지만 우리는 그것에 항상 익숙해 있기에 이상하다고 느끼지 않습니다. 하지만 최근 과학자들은 이때까지 한번도 관측된 적도 없는, 들어본 적도 없는 어떠한 미지의 소음을 관측했습니다. 분명히 인간이 만들어낸 소음이 아니었기에 이 소리의 정체를 밝히기 위한 여러 시도들이 이어졌습니다. 이 현상과 밀접한 관련이 있는 것인지는 확실하지 않지만, 실제로 영국 1970년대 후반, Bristol 동네에서는 몇몇 사람들이 매우 낮은 음의 괴음이 들린다고 보고한 바 있습니다. 과학자들은 미지의 음파를 Earth hum, humming이라고 이름 붙였습니다. Humming의 주파수(진동수)는 매우 낮기 때문에 가청 주파수 범위를 벗어나 일반적인 경우에는 사람의 귀에는 들리지 않는다고 합니다. 아래 영상을 보면 Earth humming에 대해 더 쉽게 접할 수 있을 것입니다.
수많은 연구 끝에 근 몇 년간 이 현상의 원인을 ‘파도’에서 찾을 수 있었습니다. 물론 파도가 확실한 원인인 것은 아니지만 여러 모델의 검증과 계산을 통해 유력한 원인임이 밝혀졌습니다. 이 글에서는 hum의 원인을 파도와 관련하여 설명하려 합니다. Columbia University의 지질학자인 Spahr C. Webb 교수의 논문과 연구를 참고하였습니다.
Earth Hum은 파도에 의해 생성된다
최근 연구들에 따르면 Earth Humming 현상은 우리가 흔히 아는, 해양의 파도에 의해서 발생한다고 합니다. 우선 기본적인 개요부터 소개하도록 하겠습니다. 파도 입자의 충돌이 작은 지진파를 일으키고, 이것이 어떠한 과정을 통해 저주파음(주파수가 낮은 소리)로 변환되어 관측됩니다. 크고 느리게 움직이는 파도는 운동과 압력에 의해 주기가 13~300초에 달하는 지진파를 생성할 수 있다고 합니다. 주기가 매우 크기 때문에 주파수는 작고, 낮은 음을 가지게 됩니다.
좀 더 구체적으로 보자면, 우선 바람에 의해 생성된 해양 표면파는 서로의 충돌에 의해서 더 주기가 긴 중력파(infragravity wave)로 변환됩니다. 여기서 파동학에서 말하는 infragravity wave는 바람에 의해 생성된 우리가 일반적으로 보는 바다의 파도보다 주기가 더 긴 표면 중력파를 말합니다. 이렇게 생성된 infragravity wave는 해저 바닥과의 상호작용을 하여 작던 파동의 크기와 세기를 키우게 되고, 지진파를 활성화하게 됩니다. 지진파가 주변 인간에 관측되면 그것이 바로 hum인 것이죠. 즉, Hum은 일종의 지진파라는 것이고, hum의 원인은 결국 해저 바닥에서 진행되는 중력파의 활성화(excitation)이라는 것입니다. 그렇기에 실제로 humming은 지진계(지진파를 관측하는 기구)에서 측정할 수 있습니다.
Earth Hum의 두가지 종류
Humming의 발생 방식은 크게 두가지로 나눌 수 있습니다. 근본적으로는 해양 표면파(파도)에 의해 생성되는 것이기 때문에 항상 바다가 존재해야 합니다. 여기서 바다와 대륙이 있는 대륙붕에서 생성되는 경우와 바다 한가운데에서 발생하는 경우가 있습니다. Primary microseisms은 파도가 대륙붕 근처에서 수심이 얕은 바다로 접근할 때 해저로 파동 에너지가 결합하면서 발생합니다. Secondary microseisms은 바다 한 가운데에서 반대 방향으로 이동하는 동일한 주파수의 바다 파도가 만날 때 발생합니다. 두가지 모두 humming을 발생시키고, 관측하려면 할 수 있겠지만 주로 관측되는 것은 Primary microseisms 종류의 파동입니다. Microseisms 파동 특성상 세기가 크지 않기 때문에 진원에서 조금만 멀리 떨어지면 주의 noise에 의해 에너지가 감쇠하여 측정이 어려워집니다. 따라서 지상에 관측소가 있다는 것을 고려한다면 secondary microseisms은 지상까지 가면 감쇠하여 측정이 어려워지고, 대부분 관측되는 hum noise는 primary microseisms 일 것입니다. 그렇기에 Spahr C. Webb 교수 또한 primary microseisms의 경우인 대륙붕에서의 상호작용과 hum의 발생에 대해 중점적으로 연구를 진행하였습니다.
파도의 진동에 대한 정량적 분석
Spahr 교수는 파도의 상호작용과 진동에 대해 파수, 진동수, 각속도 등 여러 변수를 설정하고 실제로 물리적인 분석으로 통해 이론적인 함수들을 정의하였습니다. 하지만 상세한 수식과 유도과정은 매우 복잡하고 기사에 담기 부적절하기 때문에 간단히 뭐가 있는지 소개하도록 하겠습니다. 첫번째로 wavenumber-frequency spectrum Fp(K,w) 함수입니다. 변수는 파수와 각진동수로, 해양파의 상호작용을 나타납니다. 세부적으로는 G 함수와 파동의 wave height frequency direction spectrum 함수(변수는 각진동수와 각변위)에 의해 계산됩니다. 이러한 함수를 정의하여 infragravity wave의 excitation을 설명합니다. Interactrion function G(w,h)는 파동의 진동수와 진행하는 해양의 수심에 따라 계산됩니다.
첫번째로 자세히 살펴볼 함수는 dependence와 interaction을 의미하는 G 함수입니다. G 함수값이 높다는 뜻은 대륙붕에서 중력파의 활성화가 잘 일어난다는 것이고, humming도 더 잘 발생한다는 것입니다. 앞서 소개했던 Spahr 교수의 정량적인 모델들과 함수 관계식을 통해 계산해 본 결과, G 함수값은 진동수와 각각의 수심에 따라서 아래와 같은 그래프를 그린다고 합니다. 이 그래프를 보면 알 수 있듯이 G 값이 높은 지역은 수심이 낮고 진동수가 작은 경우입니다. 같은 진동수 내에서는 30m와 같이 얕은 수심이, 같은 수심에서는 더 작은 진동수에서 G 값이 크게 나옵니다. 이 그래프를 통해서 얕은 바다에서 매우 낮은 진동수의 hum이 활발하게 측정된다는 것을 알 수 있습니다.
두번째로는 E 함수로 변수는 진동수를 가지고 있습니다. E 함수는 진동수에 따라서 normal mode excitation이 수직방향 힘에 의해 발생하는 정도를 뜻합니다. 계산을 좀 더 쉽게하기 위해서 수직 방향 힘만을 고려했을 때 진동수에 따른 normal mode excitation, 공진 주파수에 따른 표면파의 excitation이 E 값이고, 따라서 E 값이 큰 곳, 극댓값의 진동수 값들이 바로 excitation의 공명 주파수들을 뜻합니다. 극댓값 peak의 공명 진동수에서 humming이 활발하게 발생합니다. 똑같은 방법으로 E 함수 역시 정량적인 모델을 통해 계산해 본 결과 다음과 같은 그래프가 나온다고 합니다.
이렇게 소개하였던 G 함수와 E 함수의 결과를 같이 분석해본 결과, excitation을 통해 생성되는 지진파는 해양 표면파의 진동수의 절반 정도의 진동수로 가장 활발하게 생성된다고 합니다.
모델과 실제의 비교
이렇게 계산하여 만든 대륙붕에서의 중력파의 excitation을 실제 관측된 값과 비교하여 검증하는 과정 또한 진행되었습니다. 다음 그래프는 대륙붕에서 normal modes excitation을 통해 생성된 infragravity wave의 세기를 진동수에 따라 나타낸 그래프입니다. 여기서 진동수에 따른 humming noise의 세기는 스펙트럼의 형태로 관측됩니다. 앞선 모델을 통해 예측한 이론적인 그래프가 초록색, 실제로 과학자들이 관측하여 나온 실험값의 그래프는 파란색으로 나타납니다. 실험과 이론값의 그래프가 유사한 경향을 보이고 있기 때문에 이 모델의 타당성을 증명할 수 있었습니다.
Earth Hum의 정체
이러한 분석들을 종합해본다면 Earth hum의 정체를 알 수 있었습니다. Seismic wave의 진동수에 따른 hum sound 세기의 그래프는 스펙트럼 형태로 보여집니다. A 그래프는 1mHz에서 0.001mHz 범위의 진동수에 따른 wave 세기를 나타낸 그래프인데, 스펙트럼을 보면 낮은 진동수, 0.001mHz~0.01mHz 구간에서 normal mode peaks가 집중적으로 존재함을 알 수 있습니다. 공명진동수에 맞춰질 때 소리의 세기가 세지는 normal mode peak에서 earth hum이 관측된다고 해석할 수 있습니다. 또한 비교적 높은 주파수 구간에서는 크게 SF, DF peak가 존재합니다. B그래프는 Florida 대륙붕에서 진동수에 따라 어떤 wave가 어떤 세기로 관측되는지 실험한 표입니다. 대략 0.04Hz를 기준으로 0.04보다 크면 excitation 전의 바람에 의한 파도로, 0.04Hz 이하의 파동은 excitation이 진행된 infragravity wave 형태로 존재합니다. 따라서 hum은 0.04Hz 이하의 주파수로만 관측되는 것입니다. 이렇게 정체 모를 미지의 저주파음, Earth Humming을 물리, 지구학적 모델과 실험을 통한 검증으로 그 원인과 발생 과정을 밝혀낼 수 있었습니다.
최성림 학생기자 | Physics & Earth Science | 지식더하기
참고자료
[1] https://www.earthmagazine.org/article/sounding-out-earths-hum/
[2] https://academic.oup.com/gji/article/
[3] https://www.nature.com/articles/nature05536
첨부 이미지 출처
[1] https://www.earthmagazine.org/article/sounding-out-earths-hum/
[2] https://academic.oup.com/gji/article/
[3] https://academic.oup.com/gji/article/
[4] https://www.nature.com/articles/nature05536
첨부 동영상 링크
[1] https://www.youtube.com/watch?v=QpeKot2X_O8
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